説明

繊維強化複合材料成形装置

【課題】繊維強化複合材料成形装置において、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて接合された長尺繊維束を、より均一に積層して繊維強化複合材料を成形することである。
【解決手段】成形中の繊維束14における端部と、新品の繊維束44における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を絡ませて接合し、長尺繊維束48として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置10であって、成形中の繊維束14と新品の繊維束44との接合部46は、成形中の繊維束14における端部と、新品の繊維束44における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成される。そして、各々端部の繊維量に対して2分の1の繊維を切断することが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、繊維強化複合材料成形装置に係り、特に、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合し、長尺繊維束として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置に関する。
【背景技術】
【0002】
圧縮水素ガスや圧縮天然ガス(CNG)等を貯蔵する、例えば、車両用高圧タンク等の圧力容器には、軽量化のために、繊維強化複合材料が用いられている。繊維強化複合材料には、例えば、強化繊維としての炭素繊維等に、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂等を含浸させて成形した繊維強化複合材料が使用される。
【0003】
繊維強化複合材料の成形には、例えば、フィラメントワインディング(Filament Winding:FW)成形法等が用いられる。フィラメントワインディング成形法は、例えば、ボビン等から送り出された繊維束に樹脂を含浸させた後、樹脂含浸した繊維束をマンドレル等に連続して巻き付けることにより繊維強化複合材料を成形する成形方法である。
【0004】
ここで、マンドレル等に繊維束を連続して巻き付けるために、ボビン等から繰り出された成形中の繊維束における端部は、新しいボビン等に巻かれた成形に用いられていない新品の繊維束における端部と重ね合わせて接合される。例えば、成形中の繊維束と新品の繊維束とは、重ね合わせた繊維を絡ませて接合される。そして、長尺繊維束として繊維強化複合材料成形装置へ送り出される。ここで、特許文献1には、糸継ぎ時における紡績ユニット毎のロータの速度を制御して、繊維を繊維束に接合し、継ぎ部の品質変化を抑制することができる糸継ぎ装置が記載されている。
【0005】
【特許文献1】特開平9−195131号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、成形中の繊維束における端部と、成形に用いられていない新品の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を絡ませて接合し長尺繊維束とした場合には、長尺繊維束に含まれる接合部は、接合部以外の一般部よりも長尺方向に対して単位長さ当たりの繊維量が大きくなる可能性がある。
【0007】
図4は、従来の長尺繊維束の接合部50と、接合部以外の一般部52とを示す断面図である。図4に示すように、長尺繊維束の接合部50は、一般部52よりも繊維量が大きいので、接合部50の厚みは、一般部52の厚みよりも大きくなる。そのため、繊維強化複合材料の成形において、接合部50が、例えば、マンドレル等に積層される部位で、長尺繊維束が均一に積層されない可能性がある。その結果、成形された繊維強化複合材料に内部欠陥等が生じて、繊維強化複合材料の機械的強度等が低下する場合がある。
【0008】
そこで、本発明の目的は、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて接合された長尺繊維束を、より均一に積層して繊維強化複合材料を成形することができる繊維強化複合材料成形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置は、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合し、長尺繊維束として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置であって、一方の繊維束と、他方の繊維束との接合部は、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成されることを特徴とする。
【0010】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置において、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して2分の1の繊維を切断することを特徴とする。
【0011】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置において、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とは、各々斜めに切断されることを特徴とする。
【0012】
本発明に係る繊維強化複合材料成形装置において、長尺繊維束は、圧力容器のライナに巻き付けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
上記のように本発明に係る繊維強化複合材料成形装置によれば、一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて接合された長尺繊維束に含まれる接合部の繊維量を少なくして、接合部の厚みを更に小さくすることにより、より均一に長尺繊維束を積層して繊維強化複合材料を成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図1は、繊維強化複合材料成形装置10の構成を示す図である。
【0015】
繊維供給装置12は、繊維強化複合材料の成形に使用される繊維束14を送り出す機能を有している。繊維供給装置12には、例えば、クリールスタンド(Creel Stand)等を用いることができる。繊維供給装置12は、複数の繊維束14を巻き付けるための複数のボビン16と、複数の繊維束14に負荷される張力を調整するための複数の繊維張力調整装置18とを有している。それにより、ボビン16等から送り出された複数の繊維束14を、繊維張力調整装置18で所定の張力に調整して供給することができる。勿論、他の条件次第では、繊維束14の本数は、複数本に限定されることはなく、1本でもよい。
【0016】
繊維束14の繊維には、高強度繊維または高弾性繊維である炭素繊維等を使用することができる。そして、炭素繊維には、レーヨン系炭素繊維、ポリアクリロニトリル(Polyacrylonitrile:PAN)系炭素繊維またはピッチ系炭素繊維等が用いられる。勿論、繊維束14の繊維には、炭素繊維に限定されることはなく、ガラス繊維またはアラミド繊維等を用いることができる。
【0017】
繊維束14には、繊維径が、例えば、1μmから5μmの単繊維であるフィラメントを束ねたヤーン、ストランド、ロービング等を用いることができる。例えば、炭素繊維を用いた繊維束14には、炭素繊維フィラメントを1万本〜5万本束ねた炭素繊維ストランドを用いることができる。また、繊維束14には、一方向材だけでなく、平織や朱子織等で織られた織物材の繊維シート等を使用してもよい。勿論、他の条件次第では、繊維束14は、これらの形態に限定されることはない。
【0018】
繊維張力測定装置20は、繊維供給装置12から送り出された複数の繊維束14に負荷された張力を測定する機能を有している。繊維張力測定装置20には、一般的に、炭素繊維等の張力測定に用いられる張力測定器等を使用することができる。
【0019】
樹脂含浸装置22は、繊維張力測定装置20で張力測定された繊維束14に、樹脂等を含浸する機能を有している。樹脂含浸装置22は、繊維束14に含浸する樹脂を溜める樹脂槽24と、繊維束14に樹脂を付着させる樹脂含浸ローラ26と、第1テンションローラ28と、第2テンションローラ30と、を備えている。また、樹脂含浸装置22は、樹脂粘度を調整するために樹脂温度を測定する樹脂温度計と、樹脂含浸量を調整するために繊維束14に付着した樹脂膜厚を測定する樹脂膜厚計32とを有している。そして、樹脂含浸ローラ26を回転させて、ローラ面を樹脂槽24に溜めた樹脂に浸漬した後、樹脂が付着したローラ面を繊維束14に接触させることで樹脂含浸することができる。繊維束14に含浸される合成樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂または不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を使用することができる。勿論、合成樹脂は、上記樹脂に限定されることはない。
【0020】
フィラメントワインディング装置34は、樹脂含浸装置22から送り出された樹脂含浸した繊維束14を、型または心金であるマンドレル36(Mandrel)等に巻き付ける機能を有している。フィラメントワインディング装置34は、樹脂含浸した繊維束14をマンドレル36等の円周方向や軸方向に巻き付けることができる。フィラメントワインディング装置34は、例えば、マンドレル36等の回転軸方向に対して略垂直に巻き付けるフープ巻き(Hoop Winding)や、マンドレル36等の回転軸方向に対して所定の角度で巻き付けるヘリカル巻き(Helical Winding)等により樹脂含浸した繊維束14を巻き付けることができる。
【0021】
圧力容器、例えば、高圧タンク等を製造する場合には、マンドレル36の代わりにポリアミド樹脂等により成形された樹脂ライナまたはアルミニウム等により成形された金属ライナ等を使用することができる。そして、樹脂含浸した繊維束14は、フィラメントワインディング装置34により、張力を与えつつ樹脂ライナまたは金属ライナに巻き付けられる。
【0022】
制御装置38は、繊維張力測定装置20と、樹脂含浸装置22に配置される樹脂温度センサと、樹脂膜厚計32等とにリード線とコネクタ等を用いて接続される。制御装置38は、繊維張力測定装置20から出力される繊維束14の張力データの電気信号を入力し、繊維束14の張力を制御することができる機能を有している。そして、制御装置38は、樹脂含浸装置22に配置された樹脂温度センサから出力される樹脂温度データの電気信号を入力し、樹脂温度を制御することができる機能を有している。更に、制御装置38は、樹脂膜厚計32から出力される樹脂膜厚データの電気信号を入力して、基準となる所定の樹脂量が樹脂含浸ローラ26に付着されているか否かを検知することができる機能を有している。かかる制御装置38は、例えば、パーソナルコンピュータ(PC)で構成することができる。また、制御装置38と接続されたデータロガ40には、上述した繊維束14の張力データ、樹脂温度データ、樹脂膜厚データ等が記憶されて保存される。
【0023】
繊維接合装置42は、一方の繊維束14である成形中の繊維束14における端部と、他方の繊維束44である成形に用いられていない新品の繊維束44における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合して接合部46を形成する機能を有している。成形中の繊維束14と新品の繊維束44とを接合して長尺繊維束48とし、ボビン16に巻かれた成形中の繊維束14を使用し尽す前に、新しいボビン49に交換することにより、繊維の歩留まりを向上させることができる。
【0024】
そして、成形中の繊維束14と、新品の繊維束44との接合部46は、成形中の繊維束14における端部と、新品の繊維束44における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を空気等の気体流で絡ませて形成される。これにより、長尺繊維束48に含まれる接合部46の繊維量を減らして、接合部46の厚みをより小さくすることができる。
【0025】
繊維接合装置42には、例えば、特開2001−151418号公報、特開2003−292247号公報、特開2003−292248号公報等に記載され、空気等の気体流で繊維を交絡させて接合するエアスプライサを使用することができる。勿論、繊維を気体流で絡ませて接合する装置は、エアスプライサに限定されることはない。また、成形中の繊維束14における端部または新品の繊維束44における端部に含まれる繊維を切断する切断装置には、一般的に、炭素繊維等の繊維を切断するカッタ等を使用することができる。切断装置は、繊維接合装置42に設けてもよいし、繊維接合装置42とは別に設けてもよい。
【0026】
成形中の繊維束14における端部と、新品の繊維束44における端部とは、各々端部の繊維量に対して2分の1の繊維が切断されることが好ましい。長尺繊維束48に含まれる接合部46の長尺方向に対する単位長さ当たりの繊維量を、接合部46以外である一般部の長尺方向に対する単位長さ当たりの繊維量と略同じとすることにより、接合部46の厚みを一般部の厚みと略同じにすることができる。
【0027】
図2は、成形中の繊維束14における端部と、新品の繊維束44における端部とから、各々端部の繊維量に対して2分の1の繊維を切断して接合部46を形成する方法を示す図であり、図2(A)は、成形中の繊維束14における端部14aと、新品の繊維束44における端部44aとを示す図であり、図2(B)は、成形中の繊維束14における2分の1の繊維量の繊維が切断された端部14bと、新品の繊維束44における2分の1の繊維量の繊維が切断された端部44bとを示す図であり、図2(C)は、各々端部の繊維量に対して2分の1の繊維が切断された各々端部14b、44bを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置42で接合する様子を示す図である。
【0028】
図2(B)に示すように、成形中の繊維束14における2分の1の繊維量の繊維が切断された端部14bは、図2(A)に示す成形中の繊維束14における端部14aに含まれる繊維束の繊維が交互に切断されて形成される。また、新品の繊維束44における2分の1の繊維量の繊維が切断された端部44bは、同様にして、図2(A)に示す新品の繊維束44における端部44aに含まれる繊維束の繊維が交互に切断されて形成される。このように、成形中の繊維束14における端部14aまたは新品の繊維束44における端部44aに含まれる繊維束の繊維を、1つ置きに切断することにより、各々端部14a、44aの繊維量に対して2分の1とすることができる。
【0029】
そして、図2(C)に示すように、成形中の繊維束14における2分の1の繊維量の繊維が切断された端部14bと、新品の繊維束44における2分の1の繊維量の繊維が切断された端部44bとを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置42により気体流で絡ませることにより接合部46が形成される。なお、上記では、各々端部14a、44aの繊維束における繊維を交互に切断して、各々端部14a、44aの繊維量に対して2分の1となるように加工したが、勿論、繊維束の繊維を交互に切断することに限定されることなく、他のパターンで繊維を切断して、各々端部14a、44aの繊維量に対して2分の1となるように加工してもよい。
【0030】
また、成形中の繊維束14における端部と、新品の繊維束44における端部とは、各々斜めに切断されて、接合部46が形成されてもよい。図3は、成形中の繊維束14における端部14aと、新品の繊維束44における端部44aとを斜めに切断して接合部46を形成する方法を示す図であり、図3(A)は、成形中の繊維束14における端部14aと、新品の繊維束44における端部44aとを示す図であり、図3(B)は、成形中の繊維束14における斜めに切断された端部14cと、新品の繊維束44における斜めに切断された端部44cとを示す図であり、図3(C)は、成形中の繊維束14における斜めに切断された端部14cと、新品の繊維束44における斜めに切断された端部44cとを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置42で接合する様子を示す図である。
【0031】
図3(B)に示すように、成形中の繊維束14における斜めに切断された端部14cは、図3(A)に示す成形中の繊維束14における端部14aを所定の角度で斜めに切断して形成される。また、新品の繊維束44における斜めに切断された端部44cは、図3(A)に示す新品の繊維束44における端部44aを所定の角度で斜めに切断して形成される。ここで、成形中の繊維束14における端部14aと、新品の繊維束44における端部44aとを切断する角度は、略同じ角度であってもよいし、異なる角度であってもよい。そして、図3(C)に示すように、成形中の繊維束14における斜めに切断された端部14cと、新品の繊維束44における斜めに切断された端部44cとを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を繊維接合装置42により気体流で絡ませることにより接合部46が形成される。
【0032】
次に、再び、図1に戻り、繊維強化複合材料成形装置10の動作について説明する。
【0033】
繊維強化複合材料を成形中の繊維束14における端部と、成形に使用されていない新品の繊維束44における端部とは、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維がカッタ等の切断装置で切断される。そして、繊維接合装置42により、成形中の繊維束14における所定量の繊維が切断された端部と、新品の繊維束44における所定量の繊維が切断された端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合部46を形成する、そして、成形中の繊維束14と新品の繊維束44との接合部46を含む長尺繊維束48は、繊維供給装置12へ送られる。
【0034】
繊維供給装置12のボビン16から長尺繊維束48が繰り出され、ボビン16から繰り出された長尺繊維束48は、繊維張力調整装置18により所定の張力に調整されて繊維供給装置12から送り出される。
【0035】
繊維供給装置12から送り出された長尺繊維束48は、繊維張力測定装置20により長尺繊維束48に負荷されている張力が測定される。ここで、繊維張力測定装置20により測定された長尺繊維束48の張力データは、繊維張力測定装置20から制御装置38へ出力され、データロガ40に記憶されて保存される。また、長尺繊維束48に、例えば、基準となる所定の張力が負荷されていない場合には、制御装置38が、張力の異常を検知して異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置10が停止する。
【0036】
繊維張力測定装置20を通過した長尺繊維束48は、樹脂含浸装置22に送り出される。樹脂含浸装置22における樹脂槽24の中には、例えば、エポキシ樹脂である液状の樹脂が溜められている。樹脂の温度は、熱電対等の樹脂温度センサにより測定される。そして、樹脂温度データは、樹脂温度センサから制御装置38へ出力され、データロガ40に記憶されて保存される。また、樹脂温度が、例えば、設定された樹脂温度でない場合には、制御装置38が樹脂温度の異常を検知して、異常信号等を出力する。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置10が停止する。
【0037】
樹脂含浸ローラ26は、ローラが回転することにより樹脂槽24に溜められた樹脂と接触し、樹脂含浸ローラ26の表面に樹脂が付着する。そして、第1テンションローラ28と第2テンションローラ30とにより押さえられた長尺繊維束48は、樹脂含浸ローラ26と接触することにより樹脂が含浸される。ここで、長尺繊維束48に含まれる接合部46は、所定量の繊維が切断されて接合されており、長尺繊維束48に含まれる接合部46の厚みと、接合部46以外である一般部の厚みとの差は、更に小さくなっているので、長尺繊維束48に対して、より均一に樹脂を含浸することができる。
【0038】
そして、樹脂膜厚計32により測定された樹脂膜厚データは、樹脂膜厚計32から制御装置38へ出力される。そして、出力された樹脂膜厚データは、制御装置38により基準となる樹脂膜厚と比較されるとともにデータロガ40に記憶される。そして、樹脂膜厚データが基準となる樹脂膜厚よりも薄い場合には、制御装置38により長尺繊維束48に適正な樹脂量の樹脂が含浸されていないと判断されて、異常信号等が出力される。それにより、例えば、繊維強化複合材料成形装置10が停止する。
【0039】
樹脂含浸した長尺繊維束48は、第2テンションローラ30を介した後、フィラメントワインディング装置34へ送り出される。樹脂含浸した長尺繊維束48は、フィラメントワインディング装置34により、マンドレル36または高圧タンクのライナ等にフープ巻き等により巻き付けられる。ここで、長尺繊維束48に含まれる接合部46は、所定量の繊維が切断されて接合されており、長尺繊維束48に含まれる接合部46の厚みと、接合部46以外である一般部の厚みとの差は、更に小さくなっているので、樹脂含浸した長尺繊維束48を、より均一にマンドレル36または高圧タンクのライナ等に巻き付けて積層することができる。その後、マンドレル36またはライナ等に巻き付けた樹脂含浸した長尺繊維束48を図示されない樹脂硬化炉等で加熱することにより、樹脂を硬化して繊維強化複合材料が成形される。
【0040】
上記構成によれば、長尺繊維束に含まれる接合部は、成形中の繊維束における端部と、新品の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成されるので、接合部における単位長さ当たりの繊維量をより少なくして、接合部の厚みをより小さくすることができる。それにより、長尺繊維束に含まれる接合部が高圧タンクのライナ等に積層される部位においても、より均一に長尺繊維束を積層することができるので、繊維強化複合材料の内部欠陥や形状異常が抑えられ、繊維強化複合材料の機械的強度等の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の実施の形態において、繊維強化複合材料成形装置の構成を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態において、成形中の繊維束における端部と、新品の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して2分の1の繊維を切断して接合部を形成する方法を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態において、成形中の繊維束における端部と、新品の繊維束における端部とを斜めに切断して接合部を形成する方法を示す図である。
【図4】従来の長尺繊維束の接合部と、接合部以外の一般部とを示す断面図である。
【符号の説明】
【0042】
10 繊維強化複合材料成形装置、12 繊維供給装置、14,44 繊維束、16 ボビン、18 繊維張力調整装置、20 繊維張力測定装置、22 樹脂含浸装置、24 樹脂槽、26 樹脂含浸ローラ、28 第1テンションローラ、30 第2テンションローラ、32 樹脂膜厚計、34 フィラメントワイディング装置、36 マンドレル、38 制御装置、40 データロガ、42 繊維接合装置、46,50 接合部、48 長尺繊維束、52 一般部。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とを重ね合わせて、重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて接合し、長尺繊維束として繊維強化複合材料を成形する繊維強化複合材料成形装置であって、
一方の繊維束と、他方の繊維束との接合部は、
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して所定量の繊維を切断し、所定量の繊維が切断された各々端部を重ね合わせて、
重ね合わせた繊維を気体流で絡ませて形成されることを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
【請求項2】
請求項1に記載の繊維強化複合材料成形装置であって、
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とから、各々端部の繊維量に対して2分の1の繊維を切断することを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
【請求項3】
請求項1に記載の繊維強化複合材料成形装置であって、
一方の繊維束における端部と、他方の繊維束における端部とは、各々斜めに切断されることを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。
【請求項4】
請求項1から3のいずれか1つに記載の繊維強化複合材料成形装置であって、
長尺繊維束は、圧力容器のライナに巻き付けられることを特徴とする繊維強化複合材料成形装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2008−155597(P2008−155597A)
【公開日】平成20年7月10日(2008.7.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−350237(P2006−350237)
【出願日】平成18年12月26日(2006.12.26)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】